核磁共振原理及其在
生物学中的应用
第五章 化学交换现象
§ 5.1 — § 5.3
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换现象
? 一个核在 A,B两个不同状态下的交换
? A,B两个不同状态：
? （ 1）处于不同分子，
如蛋白质上的 NH,OH质子与水中质子交换
（ 2）同一个分子的不同构象
如顺式与反式异构体
化学交换现象
乙醇分子与靶分子结合，甲基基团处于两种不同的
环境：结合，游离
动态 NMR
? 核磁共振可以检测包括 化学反应,构象
变化等 动力学过程
确定运动相关时间 ?c的 NMR方法
1s < ?c 初始扰动后的实时检测
10ms <?c <10s 2D或 3D交换谱 (EXSY)
100?s <?c <1s 线型分析，交换加宽，和交换变窄
1?s <?c <10ms 旋转坐标系里的弛豫时间 T1 ?测量
30ps <?c < 1?s 实验室坐标系里的弛豫时间 T1的测量
?c < 100ps 平均的序参数
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换对核磁线型的影响
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
PB>PA PA=PB
两态交换
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
A B
1k
1?k
BA
A
BA
B
AP
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11
1
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B
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A
BP
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11
1
平衡时处于 A,B态的核
所占的比例 ·
慢交换与快交换
考虑体系 A ? B
A,B进动频率分别为 vA,vB
平均寿命分别为 ?A,?B
选择旋转坐标系的频率为
v0=(vA+vB)/2
慢交换, 交换频率 << |vA-vB|
快交换, 交换频率 >> |vA-vB|
(并非交换过程本身的速率 )
Bloch方程
)()( 0MMRHMdtdM ???? ????? ?
R
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1
1
1
2
2
1
每个核都有类似的方程，在有化学
交换时还要加上交换项，成为联立
的方程组，称为 McConnell方程
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
交换速率
慢交换
将上式和普通
的 Bloch方程
的解加以比较
得知得到的是
在频率 ?A 和
?B 处两条分
立的谱线
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
核磁吸收信号
?
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0
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1
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0
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21
)(1
)(1
)(1
)(1
M
TTBT
T
M
TTBT
TMB
v
TTBT
MTB
u
z
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有效横向驰豫时间
快交换
这相应的是得到一条谱线
如果 PA＝ PB,T2A＝ T2B＝ T2
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
中等交换速度
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
温度对交换的影响
线型分析例一, 阻碍内旋转
N,N?-二甲基乙酰胺在
不同温度下的质子谱
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
线型分析例二,质子交换平衡
纯乙醇的质子谱
随着酸量的增加，
羟基质子和酸的
质子间交换加快
交换去偶
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
线型分析例三, 环反转过程
重氢环己烷在不同温度时的图谱
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换的应用：
交换速度的测量
交换过程很明显的影响波谱，这
个作用可以用来测量交换速度
线型拟合
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换的应用：平衡常数测量
A B ABk k? ? ?? ?
?1 1,
限于快交换
令 ?0=PARAB - PARA,?=PARobs - PARA
因为 PA+PAB=1 故
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
][][
][)(
AAB
AB
AABAob s ???? ????
A?AB
? obs?
我们可以将 PAB写为
][][
][
AAB
ABK
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][
BA
ABP
AB ??
dKB
B
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][
][0
平衡常数测量
测定不同温度下的平衡常数，还可以得到其他热力学参
数如焓，熵，活化能等
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
磁化转移 /饱和转移
X,Y处于交换之中，当 Y受到射频照射，偏离热平衡的 Y
磁化将传递给 X使 X也偏离热平衡，而 X的弛豫过程与之
竞争，使之恢复热平衡。这个性质可于研究慢交换过程
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
饱和转移
180° 脉冲选择性地加在 B上,A核与它有交换
NOE转移（ transfer NOE）
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
蛋白质的酰胺质子
pH 3-5 之间酰胺质子与 H2O的交换比较慢
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
生物学中的应用
第五章 化学交换现象
§ 5.1 — § 5.3
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换现象
? 一个核在 A,B两个不同状态下的交换
? A,B两个不同状态：
? （ 1）处于不同分子，
如蛋白质上的 NH,OH质子与水中质子交换
（ 2）同一个分子的不同构象
如顺式与反式异构体
化学交换现象
乙醇分子与靶分子结合，甲基基团处于两种不同的
环境：结合，游离
动态 NMR
? 核磁共振可以检测包括 化学反应,构象
变化等 动力学过程
确定运动相关时间 ?c的 NMR方法
1s < ?c 初始扰动后的实时检测
10ms <?c <10s 2D或 3D交换谱 (EXSY)
100?s <?c <1s 线型分析，交换加宽，和交换变窄
1?s <?c <10ms 旋转坐标系里的弛豫时间 T1 ?测量
30ps <?c < 1?s 实验室坐标系里的弛豫时间 T1的测量
?c < 100ps 平均的序参数
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换对核磁线型的影响
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
PB>PA PA=PB
两态交换
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
A B
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慢交换与快交换
考虑体系 A ? B
A,B进动频率分别为 vA,vB
平均寿命分别为 ?A,?B
选择旋转坐标系的频率为
v0=(vA+vB)/2
慢交换, 交换频率 << |vA-vB|
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(并非交换过程本身的速率 )
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交换时还要加上交换项，成为联立
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核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
交换速率
慢交换
将上式和普通
的 Bloch方程
的解加以比较
得知得到的是
在频率 ?A 和
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立的谱线
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
核磁吸收信号
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快交换
这相应的是得到一条谱线
如果 PA＝ PB,T2A＝ T2B＝ T2
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
中等交换速度
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
温度对交换的影响
线型分析例一, 阻碍内旋转
N,N?-二甲基乙酰胺在
不同温度下的质子谱
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
线型分析例二,质子交换平衡
纯乙醇的质子谱
随着酸量的增加，
羟基质子和酸的
质子间交换加快
交换去偶
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
线型分析例三, 环反转过程
重氢环己烷在不同温度时的图谱
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换的应用：
交换速度的测量
交换过程很明显的影响波谱，这
个作用可以用来测量交换速度
线型拟合
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
化学交换的应用：平衡常数测量
A B ABk k? ? ?? ?
?1 1,
限于快交换
令 ?0=PARAB - PARA,?=PARobs - PARA
因为 PA+PAB=1 故
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
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我们可以将 PAB写为
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平衡常数测量
测定不同温度下的平衡常数，还可以得到其他热力学参
数如焓，熵，活化能等
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
磁化转移 /饱和转移
X,Y处于交换之中，当 Y受到射频照射，偏离热平衡的 Y
磁化将传递给 X使 X也偏离热平衡，而 X的弛豫过程与之
竞争，使之恢复热平衡。这个性质可于研究慢交换过程
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
饱和转移
180° 脉冲选择性地加在 B上,A核与它有交换
NOE转移（ transfer NOE）
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
蛋白质的酰胺质子
pH 3-5 之间酰胺质子与 H2O的交换比较慢
核磁共振基本原理 6讲
吴季辉
